天馬行空的逍遙
愛因斯坦廣義相對論中的內容,他解釋了引力作用和加速度作用沒有差別的原因。還解釋了引力是如何和時空彎曲聯系起來的,利用數學,愛因斯坦指出物體使周圍空間、時間彎曲,在物體具有很大的相對質量(例如一顆恒星)時,這種彎曲可使從它旁邊經過的任何其它事物,即使是光線,也改變路徑。
我們今天都知道時空是彎曲的,可是這個奇怪而又迷人的陳述究竟是什么意思呢?
雙生子佯謬很好地描繪了狹義相對論時空的剛性結構如何使空間和時間由于觀測者的運動而各自改變(收縮或延緩)。廣義相對論則完全變革了我們的宇宙觀,它斷言引力場(物質)會使整個時空變形。如果在一個給定點上直接的引力效應已被消除(引入局部慣性參考系),我們仍能測量相鄰兩點之間的微分效應。
在一個纜繩已斷掉的電梯里,兩個“自由”物體的軌跡在一級近似上是平行的,但實際上兩條軌跡線將在6400公里遠處的地心相交,因此兩軌跡之間就有一個相對加速度(因為它們相互在靠近),對應著一個微分引力場。
顯示直接引力與微分引力之間區別的一個鮮明事例是海洋潮汐的幅度。雖然太陽對地球表面的直接引力比月亮的強180倍,太陽潮卻比月亮潮弱得多。
這是因為潮汐并不是由直接引力造成,而是由太陽和月亮對地球上不同點的引力的差異造成。對月亮來說這種差異是6%,而對太陽則只有1.7%。
牛頓理論把微分引力效應稱作潮汐力。在太陽系里潮汐力是很弱的,而黑洞所產生的潮汐力卻能把整個恒星撕碎。
然而對廣義相對論來說,用潮汐力來描述微分引力是完全多余的,因為這不是一種力學效應而純粹是一種幾何效應。
為理解這一點,且看兩只開始時沿平行路線滾動且相隔不遠的高爾夫球。
如果地面完全平坦,它們的軌跡將保持平行,否則它們的相對位置就會改變,一個鼓包會使它們離遠,一個凹坑則會使它們靠攏。
在宇宙高爾夫球場里,微分引力可以用時空“場地”的彎曲來表示。而且,由于引力總是吸引,這種彎曲就總是凹下而不是隆起。因此,時空彎曲的深刻含義是指由等效原理所造就的引力場與幾何之間的聯系。物體不是在引力迫使下在“平直”時空中運動,而是沿著彎曲時空的恒值線自由地行進。